油气资源的高效开发与充足供给关乎国家的能源安全和经济社会的稳定发展,目前紧张的能源局势加剧了常规能源的过度开发和进口,国内紧张的能源局势亟需天然气水合物等非常规能源的补充和替代。尽管天然气水合物资源储量丰富,但目前仍没有行之有效的开采手段以实现天然气水合物的商业化开采,且水合物的开发过程存在发生井壁失稳、地层沉降和井口失稳等一系列工程地质灾害的风险,威胁水合物的安全高效开发。因此,开展天然气水合物钻采过程井壁失稳、地层沉降和井口失稳等工程地质灾害分析可以在理论和工程上为我国深水天然气水合物资源的后续商业化开发提供支撑。本研究以南海弱胶结未成岩水合物储层开发为工程背景,采用理论分析和数值模拟结合的方法基于油气井岩石力学、渗流力学、传热学、水合物分解动力学等基础理论,建立了考虑水合物相变分解的水合物地层钻采过程工程地质灾害多场耦合数学模型,探讨了其求解实现方法并对模型适用性进行了验证,通过系统分析水合物开发过程中井眼、地层和井口失稳内在机制构建了水合物地层钻采过程工程地质灾害多场耦合有限元数学模拟理论体系,为水合物储层商业化开采的工程设计和方案优化提供依据。首先,基于孔隙弹塑性介质理论,通过引入水合物相变分解模型、温度场模型、渗流场模型、变形场模型、水合物储层物性参数开发动态模型以及相应的定解条件,构建了水合物地层钻采过程工程地质灾害多场耦合数学模型。同时,基于伽辽金法对数学模型中各物理场控制方程进行了时空域的离散,得到了各方程的有限元弱积分形式。同时,为实现钻采过程中水合物的相变分解、分解前缘动态移动、分解产气及储层本构关系模型利用Fortran语言分别编制了DISSOCIATION子程序、USDFLD子程序、PRODUCTION子程序和UMAT子程序,并通过实验结果对上述各子程序进行了适用性验证,发现模拟结果与实验结果拟合良好,可用于相关工程地质灾害的模拟分析。接着,基于上述各子程序利用ABAQUS有限元平台建立了水合物储层水平井钻井井壁稳定性分析模型并首先分析了钻井液温度和密度对井壁稳定的影响,根据模拟结果提出了安全钻井液密度和温度窗口的概念。同时,探讨了浸泡时间和钻井液盐度两个工程因素对井壁稳定性的影响,发现浸泡时间越短,井周水合物分解范围越小,井眼坍塌风险就相应越低;井眼屈服状况随钻井液盐度的升高而恶化。最终,分析了水合物储层特征对井眼稳定性的影响,结果发现:对于地应力差异较大,埋藏较深及饱和度较低的水合物储层而言,井壁失稳状况更为严峻,需要根据钻井工程对井壁稳定性的要求对钻井液进行适当优化设计实现。之后,对采用水平井和井壁加热联合降压法开发天然气水合物过程中地层沉降状况进行了数值模拟分析,发现储层上边界以上地层的沉降状况在开发过程中会逐渐加剧,而储层以下地层则会在开发过程中由隆起逐渐变为沉降并逐渐加剧。开采因素对地层沉降的影响分析发现:井底降压幅度越大,地层的沉降状况会越严重,而井壁加热温度则几乎不会影响到地层的稳定性。储层特征对地层沉降的影响分析发现:相同开发条件下埋藏越浅的水合物储层开发过程海底沉降相对较弱,但产气量却极低,采用固态流化法采掘更为合适;具有较高渗透率的水合物储层尽管产气量极高,但地层沉降较严重,可适当降低生产压差。最后,利用直井和井壁加热联合降压法开采天然气水合物时井口稳定性分析,发现井口会在水合物开发的前期某一时间段内急剧下沉,之后则会以较小的下沉速度继续下沉。敏感性分析发现当井底生产压差较小时井口下沉也较弱;井壁加热温度越高,井口下沉状况也较为严重;当地层渗透率较小时地层和井口的稳定性都要好些,因此在进行水合物开发前要掌握好区域和储层特征。另外,研究结果还发现模拟过程中采用不同的模型同样会影响到模拟结果的准确性,忽略某些物理场会低估井口的下沉状况。本文研究成果可以为南海弱胶结未成岩水合物储层开发设计提供参考和支持,对防止水合物开发过程中井壁失稳、地层沉降和井口失稳,提高深水海域非常规资源开发效率意义重大。